66, Dysprosium (Dy)

gr. dysprositos = unzugänglich

Das Element Dysprosium:

         
   
  Tb Dy Ho  
  Bk Cf Es  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Dysprosium (Nukleosynthese): Dysprosium hat acht Isotope, die gegenüber Betazerfall stabil sind. Davon finden sich jedoch nur sieben in der Natur, da Dy-154 ein Alphastrahler mit Halbwertszeit von 3 Mio. Jahren ist, und somit in unserem Sonnensystem schon ausgestorben ist. Auch Dy-156 unterliegt α-Zerfall, jedoch unter einer Halbwertszeit von ca. 1018 Jahren. Dysprosium hat drei Nuklide, die nur durch γ,β-Prozess gebildet werden können: Dy-154, Dy-156 und Dy-158. Dies erklärt auch, warum die beiden letztgenannten mit nur 0,06% bzw. 0,1% im natürlichen Isotopengemisch vorkommen. Dy-160 kann nur durch s-Prozess aus Tb-159 gebildet werden, da r-Prozesse mit 160 Nukleonen zu Gd-160 führen. Die anderen Isotope (Dy-161, Dy-162, Dy-163 und Dy-164) können sowohl durch s-, als auch durch r-Prozesse gebildet werden. Das häufigste Nuklid im natürlichen Isotopengemisch ist mit einem Anteil von 28,2% das schwerste Isotop, Dy-164. Weitere Reihenfolge: Dy-162 (25,5%), Dy-163 (24,9%), Dy-161 (18,9%) und Dy-160 (2,34%).

Die Dysprosium-Synthese:
154Dy-Synthese:
(nur γ-Prozess)

154Gd + 3,32 MeV → 154Dy + 2β-

(nicht natürlich vorkommend)

154Dy-Synthese:
(nur γ-Prozess)

156Gd + 2,01 MeV → 156Dy + 2β-

158Dy-Synthese:
(nur γ-Prozess)

158Gd + 284 keV → 158Dy + 2β-

160Dy-Synthese:
(nur s-Prozess)

159Tb + n → 160Dy + β- + 8,21 MeV

161Dy-Synthese:
(s-, r-Prozess)

160Dy + n → 161Dy + 6,45 MeV

56Fe + 105n → 161Dy + 40β- + 855 MeV

162Dy-Synthese:
(s-, r-Prozess)

161Dy + n → 162Dy + 8,20 MeV

56Fe + 106n → 162Dy + 40β- + 863 MeV

163Dy-Synthese:
(s-, r-Prozess)

162Dy + n → 163Dy + 6,27 MeV

56Fe + 107n → 163Dy + 40β- + 869 MeV

164Dy-Synthese:
(s-, r-Prozess)

163Dy + n → 164Dy + 7,66 MeV

56Fe + 108n → 164Dy + 40β- + 877 MeV



Radioaktivität: Reinstes Dysprosium hätte, bedingt durch den α-Zerfall seines Isotops Dy-156, eine kaum messbare, überaus schwache, nicht strahlenschutzrelevante Radioaktivität von (theoretisch) 5 μBq/kg.

Vorkommen von Dysprosium: Im Universum hat Dysprosium durchschnittlich mit rund 2 μg/kg Anteil am Aufbau (Rang 59). Am Aufbau der Erde ist es mit durchschnittlich 364 μg/kg beteiligt (Rang 49), in der Erdkruste findet es sich mit durchschnittlich 5,2 mg/kg (Rang 42). Damit ist es das siebthäufigste (neuntseltenste) Lanthanoid - es findet sich damit immer noch mehr als doppelt so häufig wie das, im Allgemeinen nicht als selten vorkommend empfundene Zinn.

Mineralische Vorkommen: Wie alle schweren Lanthanoide kommt auch das Dysprosium bevorzugt in Yttrium-Mineralien vor, da es in seinem Ionenradius diesem ähnlicher ist, als dem Lanthan. So sind Xenotim, Yttrium-Gadolinit, Monazitsand und Yttrium-Bastnäsit die wichtigsten Quellen zur Anreicherung und Reingewinnung des Elements. Es kommt auch in den Ceriterden vor, allerdings mit weit geringerer Konzentration.

Dysprosiumhaltige Mineralien.

Gadolinit (Y), (Y|Ln)2Fe(SiO5)2[1]

Xenotim, (Y|Yb)PO4[1]

Monazitsand, (Y|Ln)PO4,[2]

Bastnäsit(Y), (Y|Ln)(CO3)F[3]


Dysprosium-Gewinnung:
Gleich den anderen schweren Lanthanoiden (Gadolinium, Terbium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium) wird Dysprosium aus Yttrium-Mineralien (Xenotim, Y-Bastnäsit, Y-Gadolinit) gewonnen. Hierzu werden diese Erze zerkleinert, durch Flotation angereichert und in Schwefelsäure gelöst. Die filtrierte und eisgekühlte Lösung wird anschließend mit Oxalsäure versetzt, wodurch alle Lanthanoide als Ln(III)oxalate ausfallen. Durch Komplexieren (z.B. mit Citronensäure oder anderen organischen Säuren bei definierten Bedingungen) und separates Absorbieren an Ionentauscher mit anschließender Rücklösung unter spezifischen Parametern können die einzelnen Lanthanoide dann fraktioniert werden. Die auf diese Weise erhältlichen organischen Lanthanoid-Salze können durch Glühen in die Oxide überführt werden. Diese wiederum werden mit Flusssäure oder Salzsäure umgesetzt, so dass entsprechend Fluoride bzw. Chloride erhalten werden.

Das so erhaltene Dysprosium(III)fluorid bzw. -chlorid unterzieht man dann nach Zusatz von Kaliumchlorid einer Schmelzelektrolyse. Von dem sich ebenfalls abscheidenen Kalium kann das Dysprosium dann mittels Vakuum-Destillation gereinigt werden.

Schema: Darstellung der Lanthanoide[4]
Chemie von Dysprosium: Dysprosium hat die Elektronenkonfiguration [Xe] 6s2 4f10. Daher strebt das Element die Oxidationsstufe +3 an. Während in der Oxidationsstufe +4 einzig ein Fluoridokomplex bekannt ist (Heptafluoridodysprosat(IV), DyF73-), sind im zweiwertigen Zustand äußerst stark reduzierend wirkende binäre Halogenide und das Hydrid bekannt. In wässriger Chemie ist nur die Oxidationsstufe +3 beständig, ferner existieren auch keine Komplexionen mit Dy(II) oder Dy(IV) die in wässriger Chemie Bestand hätten.

Reaktionen an der Luft: Bei Raumtemperatur ist Dysprosium an trockener Luft bedingt beständig. Es überzieht sich mit einer Schicht aus Dysprosium(III)oxid, welche das darunterliegende Metall vor Weiteroxidation schützt. Es kann daher an der trockener Luft aufbewahrt werden. Allerdings zersetzt sich das Metall an feuchter Luft durchgreifend zum Hydroxid. Beim Erhitzen verbrennt es in stark exothermer Reaktion zu Dysprosium(III)oxid.

4Dy + 3O2 → 2Dy2O3 + 3726,2 kJ


Reaktionen mit Wasser und Säuren: Von Feuchtigkeit und Wasser wird das Metall schnell angegriffen, es reagiert unter Wasserstoffentwicklung zu Dysprosium(III)hydroxid. Dieses ist zwar stark basisch, jedoch nur sehr schlecht in Wasser löslich - die Basizität liegt zwischen der von Calcium- und Aluminiumhydroxid. Aufgrund der Löslichkeit von knapp 70 μg/L hat die gesättigte Hydroxidlösung einen pH-Wert von nicht höher als etwa 7,6. Gleich den anderen Lanthanoid(III)-Ionen hydrolysiert auch das Hexaaquo-Dysprosium(III)-Ion unter Bildung von Hydronium-Ionen und Hydroxo-Dysprosium-Ionen, weswegen Dysprosium(III)-Salze, sofern das Anion nicht basisch reagiert, deutlich saure Reaktionen zeigen.

Hydrolyse von Dysprosium(III)hydroxid und Dysprosium(III)-Ionen:

a) Alkalische Reaktion von Dysprosium(III)hydroxid:
{Dy(OH)3} [Dy(OH)2]+ + OH-; pKb = 5,20

b) Saure Reaktion von Dysprosium(III)-Ionen:
[Dy(H2O)9]3+ + H2O [Dy(H2O)8(OH)]2+ + [H3O]+; pKs = 7,96



Reaktionen mit Nichtmetallen: Mit Fluor und Chlor reagiert das Element bereits bei Raumtemperatur mit Feuererscheinung unter Bildung entsprechender Salze, mit Brom, Iod und Schwefel erst beim Erhitzen - ebenfalls unter stark exothermer Reaktion.

Dysprosium-Verbindungen

Dysprosium(III)oxid[4]
Dy2O3

Fotomontage: Dy(III)sulfat-8hydrat[5]
Dy2(SO4)3•8H2O

Dysprosium(III)chlorid[6]
DyCl3•6H2O

Dysprosium(III)sulfat-Lösung[4]
UV-Licht (li), Tageslicht (re)


Physikalische Besonderheiten von Dysprosium bzw. von seinen Verbindungen: Ferromagnetismus. Unterhalb von -188°:C hat Dysprosium ferromagnetische Eigenschaften. Sein magnetisches Moment ist mit 10,4 μB nach dem des Holmiums das zweithöchste.

Flammenfärbung: Dysprosiumsalze zeigen bei energetischer Anregung (Verdampfen oder Verbrennen) eine fahlgrüne bis gelbliche Flammenfärbung. Sind die Salze durch größere Mengen an leichteren Lanthanoiden verunreinigt, so kann die Flamme einen rosa-violetten Farbton annehmen. Dieses Bild wurde mit einer Salz-Probe der Reinheit 99,99 % gemacht: Die Salzlösung wurde per Zerstäubung in eine Luft-Acetylen-Flamme eingebracht und dann fotografiert (AAS).


Flammenfärbung eines[4]
Dysprosium-Salzes

Verwendung von Dysprosium und seinen Verbindungen : Dysprosium hat nur vereinzelte, sehr spezifische technische Verwendungsmöglichkeiten, gleich den meisten anderen Lanthanoiden.
  • IR-Quelle für IR-Spektrometer. Dysprosium-Cadmium-Chalkonide (Dy2CdX4, X = O, S, Se, Te) werden als IR-Quellen (Glühstifte, auch Nernststifte) in IR-Spektrometern eingesetzt.

  • Intensivierung des Lichts von Halogenlampen. Dysprosium(III)bromid und -iodid werden Hochintensitäts-Metallhalogenlampen zugesetzt, um dadurch die Lichtintensität zu erhöhen bzw. das Spektrum des emittierten Lichts im roten und grünen Bereich zu intensivieren. Dies geschieht durch Dissoziation der Halogenide in freie Dy-Atome, die dann infolge energetischer Anregung Licht im roten und grünen Spektralbereich aussenden.

  • Dosimeter. Mit Dysprosiumverbindungen dotierte Matrices aus Calciumsulfat oder Calciumfluorid zeigen bei Bestrahlung mit kurzwelliger EM-Strahlung (Roentgenstrahlung, Gammastrahlung) eine Lumineszenz, deren Intensität dieser Strahlung proportional ist.
Verwendung von Dysprosium(verbindungen):

Nernst-Lampe[7]

Halogenlampe[4]

Dosimeter[4]


Quellen: [1] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[2] Bildquelle: Bild einer US-Behörde, welches in Ausübung des Dienstes angefertig wurde. Solche Bilder sind gemeinfrei, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.

[3] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Kouame. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[4] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[5] Quelle des Originalbildes: Wikimedia Commons. Urheber: Bahmtec. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[6] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Walkerma. Das Bild ist von seinem Urheber als Public Domain veröffentlicht worden. Dies gilt weltweit.

[7] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Dr. Thomas Kosche, chief curator. Das Bild ist von seinem Urheber als Public Domain veröffentlicht worden. Dies gilt weltweit.